Function Templates 函数模板——初窥

妖狐艹你老母 2022-08-26 14:29 214阅读 0赞

**1.1Function Template初窥**

所谓的function templates是指由参数化手段表现一整个族群的function。

一个function *templates*可以表示一族(一整群)functions，其表现和一般的function并无二致，只是其中某些元素在编写时尚未确定，换而言之，那些\[尚未确定的元素\]被\[参数化\]了。

1.1.1定义Template  
下面的function templates传回两个数值中的较大者:

![None.gif][] template < typename T >   
![None.gif][]inline T  const   &  max( T  const   &  a, T  const   &  b )  
![ExpandedBlockStart.gif][]![ContractedBlock.gif][] ... \{  
![InBlock.gif][]    return a < b ? b : a  
![ExpandedBlockEnd.gif][]\}

这一份template定义式代表了一整族functions,他们的作用都是传回a和b两参数中的较大者。两个参数的型别都尚未确定，我们说它"template parameter T"。如你所见，template parameters必须以如此形式加以宣告：

template<以逗号分隔的参数列>  
上述例子中，参数列就是typename T。请注意，例子中的\[<\]和\[>\]在这里被当作尖括号使用。关键字typename引入了一个所谓的type parameter(型别参数)------这是目前为止C++程式中最常使用的一种template parameter，另还存在其他种类的template parameter(如:nontype parameter，\[非型别参数\])，这个以后讨论。

此处的型别参数是T，你也可以使用其他任何标识符号(identifier)来表示型别参数，但习惯写成T(译注:代表Type)。Type parameter可标识任何型别，在function templates被呼叫时，经由传输具体型别而使T得以被具体指定。你可以使用任何型别，只要它支持T所要完成的操作。本列中型别T必须支援operator<以比较两值大小。

由于历史因素，你也可以使用关键字class代替关键字typename来定义一个type parameter。关键字typename是C++发展晚期才引进的，在此之前只能经由关键字class引入type parameter。关键字class目前依然可以用。因此template max()也可以被写成如下等价形式:

![None.gif][] template < class  T >   
![None.gif][]inline T  const   &  max(T  const   &  a, T  const   &  b)  
![ExpandedBlockStart.gif][]![ContractedBlock.gif][] ... \{  
![InBlock.gif][]    return a < b ? b : a;  
![ExpandedBlockEnd.gif][]\}

就语义而言，前后两者毫无区别。即便使用关键字class，你还是可以把任意型别(包括non-class型别)当作实际的template arguments。但是这么写可能带来一些误导(让人误以为T必须是class型别)，所以最好还是使用关键字typename。请注意，这和class的型别宣告并不是同一回事：宣告type parameters时我们不能把关键字typename换成关键字struct。

1.1.2使用Template  
以下程式示范如何使用max() function template:

![None.gif][] \#include  < iostream >   
![None.gif][]\#include  < string >   
![None.gif][]\#include  " max.hpp "   
![None.gif][]  
![None.gif][] int  main()  
![ExpandedBlockStart.gif][]![ContractedBlock.gif][] ... \{  
![InBlock.gif][]    int i = 42;  
![InBlock.gif][]    std::cout<<"max(7,i): "<<::max(7,i)<<std::endl;  
![InBlock.gif][]   
![InBlock.gif][]    double f1 = 3.4;  
![InBlock.gif][]    double f2 = \-6.7;  
![InBlock.gif][]    std::cout<<"max(f1,f2): "<<::max(f1,f2)<<std::endl;  
![InBlock.gif][]  
![InBlock.gif][]    std::string s1 = "mathematics";  
![InBlock.gif][]    std::string s2 = "math";  
![InBlock.gif][]    std::cout<<"max(s1,s2): "<<::max(s1,s2)<<std::endl;  
![ExpandedBlockEnd.gif][]\}

程序呼叫了max()三次。第一次参数是两个int，第二次参数是两个double，最后一次参数是两个std::string。每一次max()均比较两值取大者。程序运行结果为：

![None.gif][] max( 7 ,i):  42   
![None.gif][]max(f1,f2):  3.4   
![None.gif][]max(s1,s2): mathematics

注意程序对max()的三次呼叫都加了前缀符号"::"，以遍确保被唤起的是我们在全域名空间(global namespace)中定义的max()。标准程序库内也有一个std::max() template，可能会在某些情况下被唤起，或在呼叫时引起模棱两可(ambiguity，歧义性，如果某个引数的型别定义于namespace std中，例如string，根据C++搜寻规则，::max()和std::max()都会被找到，那就会引起歧义性)。

一般而言，templates不会被编译为\[能够处理任意型别\]的单一实物(entity)，而是被编译为多个个别实物，每一个处理某一特定型别。(\[一份实物，适用所有型别\]，理论上成立，实际不可行。毕竟所有语言规则都奠基于\[将会产生出不同实物\]的概念all language rules are based on the concept that different entities are generated)。因此，针对三个型别，max()被编译成三个实物。

![None.gif][] 例如第一次呼叫max():  
![None.gif][] int  i  =   42 ;  
![None.gif][]...max( 7 ,i)...

使用的是\[以int为template parameter T\]的funciton template，语义上等同于呼叫以下函数：

![None.gif][] inline  int   const   &  max( int   const   &  a,  int   const   &  b)  
![ExpandedBlockStart.gif][]![ContractedBlock.gif][] ... \{  
![InBlock.gif][]    return a < b ? b : a;  
![ExpandedBlockEnd.gif][]\}

以具体型别替换template parameters的过程称为\[具现化\](instantiation，或称\[实体化\])。过程中会产生template的一份实体(instance)。不巧的是，instantiation和instance这两个术语在OO（面向对象）编程领域中有其他含义，通常用来表示一个class的具体物件(concrete object)。

注意，只要function template被使用，就会自动引发具现化过程。程序员没有必要个别申请具现过程。

类似情况，另两次对max()的呼叫被具现化为：

![None.gif][] const   double   &  max( double   const   & ,  double   const   & );  
![None.gif][] const  std:: string   &  max(std:: string   const   & , std:: string   const   & );

如果试图以某个型别来具现化function template，而该型别并未支援function template中用到的操作，就会导致编译错误。例如：

![None.gif][] std::complex < float > c1, c2;   // 此型别并不提供operator<   
![None.gif][] ...   
![None.gif][]max(c1,c2);                  // 编译期出错

实际上，template会被编译两次：

1.不具现化，只是对template程序代码进行语法检查以发现诸如\[缺少分号;\]等等的语法错误。

2.具现化，编译器检查template程序代码中的所有呼叫是否合法，诸如\[未授支援函数调用\]便会在这个阶段被检查出来。

这会导致一个严重问题：当function template被运用而引发具现化过程时，某些时候编译器需要用到template的原始定义。一般情况下，对普通的(non-template)functions而言，编译和连结两步骤是各自独立的，编译器只检查各个functions的宣告式是否和呼叫式相符，然后template的编译破坏了这个规则。眼下我们用最简单的解法：把template程序代码以inline形式写在表头档(header)中。

[None.gif]: /images/20220824/b5e7085596484b67bba9cc10298c61d3.png
[ExpandedBlockStart.gif]: http://images.csdn.net/syntaxhighlighting/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif
[ContractedBlock.gif]: /images/20220824/eadb1ee91f1e4f95aa7641bea8d5a5a8.png
[InBlock.gif]: /images/20220824/eea872bd8c664d1caa1f5fa4657c5701.png
[ExpandedBlockEnd.gif]: /images/20220824/dcbf07207d3e453198648e640a4409e9.png